KR101334752B1 - 광 디바이스 및 광 변조 장치 - Google Patents

광 디바이스 및 광 변조 장치 Download PDF

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Abstract

낮은 반파장 전압인 한편, 높은 주파수로 입력광을 변조하는 광 변조기를 제공한다. 기판과, 기판 위에 형성되어 나란히 가는 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로를 가지는 유전체막과, 유전체막 위에 형성된 절연막과, 절연막 위에 형성되고, 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로의 사이에 배치된 신호선과 제1 광 도파로에 대한 제2 광 도파로와는 반대측의 제1 영역에 배치된 제1 그라운드선과 제2 광 도파로에 대한 제1 광 도파로와는 반대측의 제2 영역에 배치된 제2 그라운드선을 가지는 공면 선로와, 제1 영역 및 제2 영역에서 유전체막과 접하거나 또는 절연막의 내부에 설치되어 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로에 대한 바이어스 전압을 인가하는 보조 전극을 포함하는 광 디바이스를 제공한다.

Description

광 디바이스 및 광 변조 장치{OPTICAL DEVICE AND OPTICAL MODULATION APPARATUS}
본 발명은, 광 디바이스 및 광 변조 장치에 관한 것이다.
인가하는 전계 강도에 대해서 굴절률의 변화가 LiNbO3(LN)과는 다른, 티탄산지르콘산 란탄 납(PbLaZrTiO계의 복합 산화물, PLZT로 약칭한다) 결정 등을 이용한 마흐젠더형 광 디바이스가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이러한 광 디바이스를 고속으로 동작시키기 위해서, PLZT 결정 위에 SiO2등의 절연막을 형성하고 나서 전극을 형성시키는 것이 알려져 있다.
일본특허공개 2006-58837호 공보
그렇지만, 이러한 절연막을 전극과 PLZT 결정의 사이에 형성하면, 전극과 PLZT 결정의 거리가 멀어지므로, 전극에 인가한 전압에 따라 생기는 전계가, PLZT 결정으로 형성되는 도파로에 도달하기 어려워진다. 따라서, 인가 전압에 대해서 도파로에 인가되는 전계 강도가 저하해 버린다. 이 때문에, 예를 들면, 마흐젠더형 광 디바이스를 광 변조기로서 이용하는 경우, 입력광의 위상을 반파장 시프트시키는데 필요한 인가 전압인 Vπ전압을 높은 전압 값으로 하였다.
본 발명의 제1 태양에서는, 기판과, 기판 위에 형성되어 나란히 가는 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로를 가지는 유전체막과, 유전체막 위에 형성된 절연막과, 절연막 위에 형성되고, 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로의 사이에 배치된 신호선과 제1 광 도파로에 대한 제2 광 도파로와는 반대측의 제1 영역에 배치된 제1 그라운드선과 제2 광 도파로에 대한 제1 광 도파로와는 반대측의 제2 영역에 배치된 제2 그라운드선을 가지는 공면 선로와, 제1 영역 및 제2 영역에서 유전체막과 접하거나 또는 절연막의 내부에 설치되어 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로에 대한 바이어스 전압을 인가하는 보조 전극을 포함하는 광 디바이스를 제공한다.
덧붙여 상기의 발명의 개요는, 본 발명의 필요한 특징의 모두를 열거한 것은 아니다. 또한, 이러한 특징군의 서브 콤비네이션도 또한 발명이 될 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 구성례를 구동 회로부(200)와 함께 도시한다.
도 2는 도 1의 A-A＇단면을, 구동 회로부(200)와 함께 도시한다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 유전체막(20)의 인가 전계에 대한 굴절률의 변화의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 구동 회로부(200)의 구동 전압 VRF의 일례를 나타낸다.
도 5는 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 전극간 전압의 일례를 나타낸다.
도 6은 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 바이어스 전압과 Vπ전압의 관계를 나타낸다.
도 7은 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 제1 변형례를 구동 회로부(200)와 함께 도시한다.
도 8은 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 제2 변형례를 구동 회로부(200)와 함께 도시한다.
이하, 발명의 실시의 형태를 통해서 본 발명을 설명하지만, 이하의 실시 형태는 특허 청구의 범위에 따른 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 실시 형태 중에서 설명되는 특징의 조합의 모두가 발명의 해결 수단에 필수라고는 할 수 없다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 구성례를 구동 회로부(200)와 함께 도시한다. 광 디바이스부(100)는, 강 유전체 결정으로 형성되는 마흐젠더 광 도파로와, 신호선과 신호선을 사이에 두는 2개의 바이어스 인가 전극을 가지는 공면(coplanar)형 전극과, 유전체막과 공면형 전극 사이에 형성되는 절연막을 구비하여, 강 유전체 박막 위 또는 절연막 내에 형성되는 보조 전극에 의해, 마흐젠더 광 도파로에 효율적으로 변조 전계를 인가한다.
광 디바이스부(100)는, 제1 광 도파로(110)와, 제2 광 도파로(120)와, 신호선(130)과, 제1 그라운드선(132)과, 제2 그라운드선(134)과, 제1 광 커플러(140)와, 제2 광 커플러(142)와, 제1 보조 전극(150)과, 제2 보조 전극(152)과, 제1 외부 전극(160)과, 제2 외부 전극(162)을 구비한다.
제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)는, 유전체 재료의 단면을 볼록한 형상으로 한 릿지(ridge)형의 구조를 취하여, 입력되는 광을 전송한다. 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)는, 전송하는 광의 파장에 따른 폭 및 높이로 볼록한 형상으로 형성되어도 된다.
신호선(130)은, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)의 사이에 배치된다. 신호선(130)은, 일단이 주파수 신호원(260)에 접속되고, 타단이 종단 저항(250)에 접속되어, 일단으로부터 입력되는 주파수 신호를 타단으로 전송한다.
제1 그라운드선(132)은, 신호선(130)과 제1 광 도파로(110)에 대한 제2 광 도파로(120)와는 반대측의 제1 영역에 배치된다. 제1 그라운드선(132)은, 기준 전압(210)에 접속된다. 제2 그라운드선(134)은, 신호선(130)과 제2 광 도파로(120)에 대한 제1 광 도파로(110)과는 반대측의 제2 영역에 배치된다. 제2 그라운드선(134)은, 기준 전압(210)에 접속된다.
여기서, 신호선(130), 제1 그라운드선(132), 및 제2 그라운드선(134)은, 공면 전송 선로를 형성한다. 즉, 신호선(130)의 선폭, 신호선(130)과 제1 그라운드선(132)의 간격, 및 신호선(130)과 제2 그라운드선(134)의 간격은, 신호선(130)의 특성 임피던스에 따라 미리 정해진 값으로 형성된다. 이에 의해, 신호선(130)은, 수 십 GHz에 이르는 고주파 신호를 전송할 수 있다.
제1 광 커플러(140)는, 광 디바이스부(100)에의 입력광을 분기하여 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)로 유도한다. 제2 광 커플러(142)는, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)로부터의 광을 합파(合波)한다. 제2 광 커플러(142)는, 합파한 광을 광 디바이스부(100)의 출력광으로서 출력한다.
제1 광 커플러(140) 및 제2 광 커플러(142)는, 2개의 입력부의 어느 입력부로부터 입력되는 광을 일대일로 분기하여 2개의 출력부로부터 각각 출력하는, 2입력 2출력의 3 dB 광 커플러이어도 된다. 이에 대신하여, 제1 광 커플러(140)는 1입력 2출력의 광 분기 커플러, 제2 광 커플러(142)는 2입력 1출력의 광 합파 커플러이어도 된다. 제1 광 커플러(140) 및 제2 광 커플러(142)는, 멀티 모드 간섭(MMI) 커플러이어도 된다.
여기서, 제1 광 도파로(110), 제2 광 도파로(120), 제1 광 커플러(140), 및 제2 광 커플러(142)는, 마흐젠더형 광 도파로를 형성한다. 즉, 광 디바이스부(100)는, 입력광을 제1 광 커플러(140)로 2개로 분기하고, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)로 전송시켜, 제2 광 커플러(142)로 합파하여 합파한 광을 출력한다. 여기서 광 디바이스부(100)는, 구동 회로부(200)로부터 공면 전송로에 인가된 신호에 따라, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 전계를 인가하여 전송하는 광의 위상을 변조하고, 제2 광 커플러(142)로 합파하는 것으로 위상차에 따라 강도가 변조된 광을 출력한다.
제1 보조 전극(150)은, 제1 광 도파로(110)에 대한 바이어스 전압을 인가한다. 제1 외부 전극(160)은, 광 디바이스부(100)의 표면에 형성되어, 제1 보조 전극(150)과 전기적으로 접속하고 구동 회로부(200)로부터의 바이어스 전압을 제1 보조 전극(150)에 공급한다.
제2 보조 전극(152)은, 제2 광 도파로(120)에 대한 바이어스 전압을 인가한다. 제2 외부 전극(162)은, 광 디바이스부(100)의 표면에 형성되어, 제2 보조 전극(152)과 전기적으로 접속하고 구동 회로부(200)로부터의 바이어스 전압을 제2 보조 전극(152)에 공급한다.
구동 회로부(200)는, 제1 보조 전극(150) 및 제2 보조 전극(152)에 서로 다른 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압을 인가하고, 신호선(130)에 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압의 사이의 제어 전압을 인가한다. 구동 회로부(200)는, 기준 전압(210)과, 제1 전원부(220)와, 제2 전원부(222)와, 제1 인덕터(230)와, 제2 인덕터(232)와, 제1 커패시터(240)와, 제2 커패시터(242)와, 종단 저항(250)과, 주파수 신호원(260)을 구비한다.
기준 전압(210)은, 미리 정해진 전압을 공급한다. 본 실시예에서, 기준 전압(210)은, GND(0 V) 전압이다.
제1 전원부(220)는, 제1 바이어스 전압을, 제1 인덕터(230) 및 제1 외부 전극(160)을 통해서 제1 보조 전극(150)에 공급한다. 제1 인덕터(230)는, 제1 바이어스 전압을 출력하는 제1 전원부(220)와 제1 외부 전극(160)의 사이에 접속된다.
제2 전원부(222)는, 제2 바이어스 전압을, 제2 인덕터(232) 및 제2 외부 전극(162)을 통해서 제2 보조 전극(152)에 공급한다. 제2 인덕터(232)는, 제2 바이어스 전압을 출력하는 제2 전원부(222)와 제2 외부 전극(162)의 사이에 접속된다.
제1 커패시터(240)는, 기준 전압(210)과 제1 외부 전극(160)의 사이에 접속된다. 이에 의해, 제1 외부 전극(160)은, 직류 성분을 오픈으로 하면서, 고주파수 성분을 저저항으로 기준 전압인 GND 전압에 접속한다.
제2 커패시터(242)는, 기준 전압(210)과 제2 외부 전극(162)의 사이에 접속된다. 이에 의해, 제2 외부 전극(162)은, 직류 성분을 오픈으로 하면서, 고주파수 성분을 저저항으로 기준 전압인 GND 전압에 접속한다.
종단 저항(250)은 신호선(130)을 종단한다. 일례로서 신호선(130)은 특성 임피던스가 50Ω인 전송 선로이고, 종단 저항(250)의 저항값은 50Ω이다.
주파수 신호원(260)은, 신호선(130)에 미리 정해진 주파수의 주파수 신호를 제어 신호로서 공급한다. 여기서, 주파수 신호원(260)은, 수 십 GHz에 이르는 주파수 신호를 공급하여도 된다.
이상과 같이, 제1 그라운드선(132) 및 제2 그라운드선(134)은, GND 전압에 접속되고, 신호선(130)은, 일단이 종단되고 타단으로부터 고주파 신호가 공급된다. 즉, 신호선(130), 제1 그라운드선(132), 및 제2 그라운드선(134)은, 공면 전송로로서 기능한다.
도 2는, 도 1의 A-A＇단면을, 구동 회로부(200)와 함께 도시한다. 여기서, 본 도면에서, 도 1에 나타난 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100) 및 구동 회로부(200)의 동작과 실질적으로 동일한 것에는 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략한다. 광 디바이스부(100)는, 기판(10)과, 유전체막(20)과, 절연막(30)을 구비한다.
기판(10)은 단결정 재료로 형성된다. 예를 들면, 기판(10)은, Al2O3(사파이어) 기판 또는 MgO 기판이다. 일례로서 기판(10)은, 사파이어 기판의 (1102) 면이 표면이 되도록 잘라져 연마된, R-cut 사파이어로 불리는 기판이다.
이에 대신해, 기판(10)은, 어떠한 층이 기판 위에 적층된 것이어도 된다. 즉 기판(10)은, 표면 위에 유전체막(20)을 성막하므로, 기판 재료가 유전체막(20)에 확산하는 것을 방지하고 그리고/또는 유전체막(20)과 격자 정합하기 위한 버퍼층이 적층된 기판이어도 된다.
유전체막(20)은, 기판(10) 위에 형성되어 나란히 가는 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)를 가진다. 또한, 유전체막(20)은, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)와 각각 접속하는 제1 광 커플러(140) 및 제2 광 커플러(142)를 가진다.
유전체막(20)은 강 유전체 박막이다. 유전체막(20)은 에피택셜 성장으로 형성되어도 된다. 유전체막(20)은, 예를 들면 10μm 이하의 두께의 박막이어도 된다. 또한, 유전체막(20)은, 850nm 대, 1300nm 대, 및 1500nm 대라고 하는 광통신으로 이용되는 파장의 광을 전송하는 광 도파로의 코어 재료를 형성하여도 된다. 또한, 유전체막(20)은, 전송하는 광의 파장에 기초하여, 막 두께가 설계되어도 된다.
유전체막(20)은, PZT 박막, PLZT 박막, 또는 BaTiO3 박막이라는 강 유전체 박막이다. PLZT 결정, PZT 결정, 및 BaTiO3 결정 등은, 결정 구조의 일종인 페로브스카이트 구조를 가지는 강 유전체 결정이고, 온도 및 재료 조성에 의해 정방정, 사방정, 육면체정, 또는 입방정 등의 결정 구조로 변화한다. 그렇지만, PLZT 결정 등은, 특정의 기판 위에 박막으로서 성장시키면, 기판 재료의 격자 정수와 벌크의 단결정 기판의 격자 정수가 다르므로, 박막에 응력이 인가되어 결정 구조가 변화하는 경우가 있다.
예를 들면, 유전체막(20)인 PLZT 박막이 사파이어 (1102) 기판 위에 형성되는 경우, PLZT 박막은, PLZT [110]방향으로 우선 배향한다. 이와 같이, 유전체막(20)은, 결정 배열 방향을 적절히 선택한 기판(10) 위에 적절한 구조의 결정으로서 형성되면, 기판(10)의 표면과 나란히 결정이 배향하므로, 자발 분극의 방향을 기판(10)의 면과 나란하게 할 수 있다. 이에 의해, 광 디바이스부(100)는, PLZT 박막의 분극 용이축에 대해서 평행하게 전계를 인가하는 디바이스에 적절한 기판을 제공할 수 있다.
절연막(30)은 유전체막(20) 위에 형성된다. 절연막(30)은, SiO2 또는 SiNx를 포함한다. 절연막(30)은, 유전체막(20)보다 비유전률이 낮은 저유전율막이어도 된다. 여기서, 기판(10)도, 유전체막(20)보다 비유전률이 낮아도 된다. 예를 들면, 절연막(30) 및 기판(10)의 비유전률은 각각 10 이하, 유전체막(20)의 비유전률은 수 백 내지 수 천 정도이다.
이에 의해, 비유전률이 높은 유전체막(20)은, 비유전률 및 굴절률이 낮은 기판(10)과 절연막(30)에서 사이에 놓이는 구조가 되므로, 효율적으로 광을 가두는 효과를 가지는 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)를 형성할 수 있다. 또한, 광 디바이스부(100)에 변조 신호를 주어 변조기로서 이용하는 경우, 기판(10) 및 절연막(30)의 두께나 재질을 바꾸어 실효 유전율을 조정하는 것으로, 변조 신호의 전송 속도와 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)를 전송하는 광파의 전송 속도를 일치시키는 속도 정합을 실현시킬 수 있다. 또한, 기판(10)과 절연막(30)은, 변조 신호를 전송시키는 전송 라인의 특성 임피던스를, 예를 들면 50Ω이라고 하는 미리 정해진 값으로 할 수 있다.
신호선(130)과 제1 그라운드선(132) 및 제2 그라운드선(134)을 가지는 공면 전송 선로는, 절연막 위에 형성된다. 전송 선로는, 금을 포함한 금속으로 형성되어도 된다.
제1 보조 전극(150)은, 제1 영역에서 유전체막(20)과 접하거나 또는 절연막(30)의 내부에 설치되어, 제1 광 도파로(110)에 대한 바이어스 전압을 인가한다. 제1 보조 전극(150)은, 제1 그라운드선(132)보다도 제1 광 도파로(110)에 근접하여 설치되어도 된다.
제2 보조 전극(152)은, 제2 영역에서 유전체막(20)과 접하거나 또는 절연막(30)의 내부에 설치되어, 제2 광 도파로(120)에 대한 바이어스 전압을 인가한다. 제2 보조 전극(152)은, 제2 그라운드선(134)보다도 제2 광 도파로(120)에 근접하여 설치되어도 된다. 도면 중에서, 제1 보조 전극(150) 및 제2 보조 전극(152)은, 유전체막(20) 위에 형성되는 예를 나타냈다. 또한, 제1 외부 전극(160) 및 제2 외부 전극(162)은, 절연막(30) 위에 형성된다.
여기서, 종래의 광 디바이스는, 공면 전송 선로의 제1 그라운드선(132) 및/또는 제2 그라운드선(134)에 바이어스 전압을 인가하고, 제1 광 도파로(110) 및/또는 제2 광 도파로(120)에 대해서 전계를 인가하였다. 예를 들면, 신호선(130) 및 제1 그라운드선(132)은 제1 광 도파로(110)에, 신호선(130) 및 제2 그라운드선(134)은 제2 광 도파로(120)에 전계를 인가한다.
이러한 광 디바이스는, 신호선(130)을 전송하는 신호의 전송 속도와, 광 도파로를 전송하는 광파의 전송 속도의 부정합에 기인하는 손실, 및/또는 유전체막(20)이 고주파의 분극에 추종할 수 없게 되는 유전 정접에 기인하는 손실 등을 완화하는 목적으로, 예를 들면, 두께 1μm 이상의 절연막(30)을 형성하고, 1 GHz 정도 이상의 주파수 신호를 신호선(130)에 전송시켰다. 그렇지만, 절연막(30)의 두께를 1μm 정도 이상으로 형성하면, 신호선(130)과 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)의 간격이 절연막(30)의 두께에 따라 멀어지므로, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 인가되는 전계 강도가 감소한다.
따라서, 이러한 광 디바이스는, 절연막(30)의 두께를 두껍게 한 만큼에 따라, 신호선(130)에 인가하는 전압 및/또는 바이어스 전압을 증가시켜, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 인가되는 전계 강도를 조절하였다. 예를 들면, 이러한 광 디바이스를 광 변조기에 이용한 경우, 입력광을 반주기만 변조시키는데 필요한 인가 전압인 Vπ전압이, 절연막(30)의 두께에 따라 증가하였다. 또한, Vπ전압을 최소로 하는 목적으로 바이어스 전압을 증가시키면, 바이어스 전압은, 140 V 이상에 이르는 일도 있었다.
이에 대해서, 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 신호선(130) 및 제1 보조 전극(150)은, 도면 중의 V1로 나타낸 전극간 전압에 따른 전계를, 제1 광 도파로(110)에 인가하고, 신호선(130) 및 제2 보조 전극(152)은, 도면 중의 V2로 나타낸 전극간 전압에 따른 전계를, 제2 광 도파로(120)에 인가한다. 즉, 광 디바이스부(100)는, 절연막(30) 위에 형성한 전극 사이의 전계의 누설 전계를 광 도파로에 인가하는 것이 아니라, 절연막(30) 위에 형성한 전극과 유전체막(20) 위에 형성된 전극의 사이에 전계를 발생시키고, 발생시킨 전계를 보다 직접적으로 광 도파로에 인가한다. 이에 의해, 광 디바이스부(100)는, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 인가하는 전계 강도의 저감을 막으면서, 절연막(30)의 두께를 1μm정도 이상으로 형성할 수 있다.
도 3은, 본 실시 형태에 관한 유전체막(20)의 인가 전계에 대한 굴절률의 변화의 일례를 나타낸다. 도면 중의 횡축은, 유전체막(20)에 인가하는 전압에 따라 발생하는 인가 전계 강도를 나타낸다. 종축은, 유전체막(20)의 인가 전계에 대한 굴절률의 변화를 나타낸다.
PLZT 결정, PZT 결정, 및 BaTiO3 결정 등에 의해 형성되는 유전체막(20)은, 인가 전계에 대해서 분극 반전을 발생시키므로, 인가 전계에 대해서 직선적인 굴절률 변화를 나타내는 LiNbO3 결정 등과는 달라, 인가 전계에 대해서 예를 들면 버터플라이 형상의 복잡한 굴절률 변화를 나타낸다. 따라서, 유전체막(20)은, 제어 신호로서 정현파 전압을 인가하는 경우에, 오프셋 전압을 더하지 않으면, 굴절률의 변화는 정현파로부터 왜곡된 특성이 된다. 여기서, 자발 분극을 가지고, 인가 전계에 대해서 분극이 반전하는 유전체막을 강 유전체막이라고 한다.
한편, 정부(正負)의 인가 전계 범위에서 직선적인 굴절률 변화를 나타내는 LN 결정 등은, 마흐젠더형 광 도파로를 형성하여 광 변조기로서 이용하는 경우, G(그라운드), S(시그널), G(그라운드) 전극을 구비하는 공면 전송 선로를 형성하여 변조 동작시키는 것이 알려져 있다. 이러한 LN 광 변조기는, 마흐젠더형 광 도파로의 나란히 가는 2개의 광 도파로 사이에 S 전극이 배치되고 제어 신호가 인가되어, 해당하는 나란히 가는 2개의 광 도파로는, 서로 역방향의 전계가 각각 인가된다. 즉, 나란히 가는 2개의 광 도파로를 통과하는 광은, 역방향의 위상 변화를 받아 광 변조 동작한다.
그렇지만, PLZT 등의 강 유전체는, 도면과 같이, 인가 전계 강도의 절대값의 변화에 대해서, 정(正)의 인가 전계 범위의 굴절률의 기울기와 부(負)의 인가 전계 범위의 굴절률의 기울기가, 실질적으로 일치하도록 변화한다. 이러한 강 유전체를 이용한 광 디바이스는, LN 광 변조기와 같은 GSG형의 공면 전송 선로를 적용하는 경우, 나란히 가는 2개의 광 도파로에 동일 방향의 전계가 인가된다. 즉, 나란히 가는 2개의 광 도파로 내를 통과하는 광은, 동일 방향의 위상 변화를 받아 위상차가 얻어지지 않기 때문에, PLZT 등의 강 유전체를 이용한 광 디바이스는, 광 변조기 또는 광 스위치로서의 동작이 불안정, 또는 동작 불능이 되었다.
이에 대해서, 본 실시예의 구동 회로부(200)는, 오프셋 전압인 바이어스 전압 Vb를 제어 신호에 더하여 유전체막(20)에 인가한다. 여기서, 바이어스 전압 Vb는, 바이어스 전압 Vb를 중심으로 하여 제어 신호의 진폭 전압만 증감해도, 유전체막(20)의 굴절률 변화가 실질적으로 직선적으로 변화하도록, 미리 정해져도 된다. 일례로서 제어 신호의 진폭 전압을 20 V로 하면, 80 ~ 120 V의 범위에서 실질적으로 직선적으로 변화하는 유전체막(20)의 굴절률 변화를 이용하도록, Vb는 100 V로 정해진다.
이와 같이, 바이어스 전압 Vb를 인가하는 것에 의해, 유전체막(20)은, 인가된 제어 신호와 실질적으로 유사한 굴절률 변화의 특성을 나타낼 수 있다. 여기서, 도면 중의 예에서의 유전체막(20)은, 인가 전계에 대해서 부의 기울기의 굴절률 변화를 나타내므로, 인가된 정현파의 제어 신호에 대해서 위상이 반전한다.
도 4는, 본 실시 형태에 관한 구동 회로부(200)의 구동 전압 VRF의 일례를 나타낸다. 도면 중의 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 전압을 나타낸다. 여기서, 제1 영역에 설치된 제1 보조 전극(150)은, 정극(正極)의 바이어스가 인가되는 전극이고, 제2 영역에 설치된 제2 보조 전극(152)은, 부극(負極)의 바이어스가 인가되는 전극이다.
예를 들면, 제1 전원부(220)는, 제1 바이어스 전압으로서 Vb +(= 100 V)를, 제1 보조 전극(150)에 공급하고, 제2 전원부(222)는, 제2 바이어스 전압으로서 Vb -(= -100 V)를, 제2 보조 전극(152)에 공급한다. 또한, 주파수 신호원(260)은, 제1 바이어스 전압 Vb + 및 제2 바이어스 전압 Vb -의 사이의 제어 신호인 진폭 20 V의 정현파 신호 VRF를 신호선(130)에 인가한다.
따라서, 제1 광 도파로(110)는, 제1 바이어스 전압 Vb +가 인가된 제1 보조 전극(150)과 정현파 신호 VRF가 인가된 신호선(130)의 전극간 전압 V1 = Vb + - VRF에 따른 전계가 인가된다. 마찬가지로, 제2 광 도파로(120)는, 제2 바이어스 전압 Vb -가 인가된 제2 보조 전극(152)과 정현파 신호 VRF가 인가된 신호선(130)의 전극간 전압 V2 = VRF - Vb -에 따른 전계가 인가된다.
도 5는, 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 전극간 전압의 일례를 나타낸다. 도면 중의 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 전압을 나타낸다. 전극간 전압 V1 = Vb + - VRF는, Vb +(= 100 V)를 중심으로, 진폭 20 V만 증감하는 위상이 180도 반전한 정현파 신호의 파형이 된다. 또한, 전극간 전압 V2 = VRF - Vb -는,-Vb -(= Vb + = 100 V)를 중심으로, 진폭 20 V만 증감하는 정현파 신호의 파형이 된다.
즉, 구동 회로부(200)는, 광 디바이스부(100)의 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 대해서, 역위상의 전계를 인가할 수 있다. 이와 같이, 구동 회로부(200)는, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 push-pull 구동을 하는 것으로, 제1 광 도파로(110) 또는 제2 광 도파로(120)의 한 쪽에만 전계를 인가하는 편측 구동에 비해, 2개의 광 도파로를 전해지는 광의 위상차를 약 2배로 할 수 있다.
이와 같이, 구동 회로부(200)는, 1개의 주파수 신호원(260)으로부터의 제어 신호를 이용하여, PLZT 등으로 형성된 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 push-pull 구동시키는 전계를 효율적으로 인가할 수 있다. 이에 의해, 광 디바이스부(100) 및 구동 회로부(200)는, 복수의 바이어스 T, 부가 회로, 및 차동 신호 드라이버 등을 이용하지 않고 광 변조 동작을 실행할 수 있다.
이상의 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100) 및 구동 회로부(200)에 의하면, 인가 전계 강도에 대해서 굴절률이 복잡하게 변화하는 PLZT 결정 등을 이용한 마흐젠더형 광 디바이스에 대해서, 공면형 전극을 형성하여 고속 제어 신호를 전송시키면서, 제어 신호에 따라 2개의 광 도파로에 역위상의 전계를 인가할 수 있다. 이에 의해, 광 디바이스부(100)는, 수 십 GHz의 제어 신호에 추종하는 광 변조기로서 동작할 수 있다.
또한, 광 디바이스부(100)는, 절연막(30)을 구비하여 변조 신호의 전송 속도와 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)를 전송하는 광파의 전송 속도를 일치시켜 속도 정합하면서, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 효율적으로 전계를 인가할 수 있어 Vπ전압의 증가를 방지한다.
도 6은, 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 바이어스 전압과 Vπ전압의 관계를 나타낸다. 도면 중의 횡축은, 바이어스 전압의 절대값(= Vb+ = -Vb-)을 나타내고, 종축은 바이어스 전압에 따른 Vπ전압의 실측값의 일례를 나타낸다.
도면 중의 □로 나타낸 그래프는, 공면 전송 선로의 제1 그라운드선(132) 및 제2 그라운드선(134)에 바이어스 전압을 인가한 종래 구조의 Vπ전압의 결과이다. 또한, 도면 중의 ○로 나타낸 그래프는, 본 실시 형태의 보조 전극에 바이어스 전압을 인가한 구조의 Vπ전압의 결과이다. 여기서, 절연막(30)은, SiO2막을 1μm, 공면형 전극은, 신호선(130)의 전극 폭이 7μm, 전극 간격이 11μm, 전극 두께가 7μm, 전극 길이가 10 mm이었다.
이상의 결과보다, 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)는, 종래 구조와 비교해 같은 Vπ를 얻기 위해서 필요한 바이어스 전압을 저하시킬 수 있어, 보조 전극이 바이어스 전압을 광 도파로에 대해서 효율적으로 인가할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 종래 구조에서는, 바이어스 전압을 140 V 이상으로 하는 것으로, Vπ의 변동을 일정한 값으로 수렴시키는 경향이 얻어지지만, 광 디바이스부(100)는, 그 절반 이하의 바이어스 전압인 60 V로, Vπ를 일정한 값으로 수렴시키는 경향이 얻어진다.
또한, 예를 들면, 종래 구조에서는, 140 V의 바이어스 전압에서 Vπ = 14 V가 얻어지는데 대하여, 광 디바이스부(100)는, 20 V의 바이어스 전압 정도로 동일한 Vπ가 얻어져, 바이어스 전압을 실질적으로 1/7로 할 수 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태의 광 디바이스부(100)에 의하면, 종래 구조에 비해, 낮은 반파장 전압 Vπ로, 혹은, 높은 주파수로 입력광을 변조하는 광 변조기를 실현할 수 있다.
도 7은, 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 제1 변형례를 구동 회로부(200)와 함께 도시한다. 본 도면에서, 도 1 및 도 2에 나타난 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100) 및 구동 회로부(200)의 동작과 실질적으로 동일한 것에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
본 변형례에서, 제1 영역에 설치된 제1 보조 전극(150)은, 제1 그라운드선(132)과 접속된다. 제1 그라운드선(132)은, 제1 커패시터(240)를 통해서 미리 정해진 기준 전압(210)에 접속된다. 또한, 제1 그라운드선(132)은, 제1 인덕터(230)를 통해서 제1 전원부(220)에 접속된다.
제2 영역에 설치된 제2 보조 전극(152)은, 제2 그라운드선(134)과 접속된다. 제2 그라운드선(134)은, 제2 커패시터(242)를 통해서 미리 정해진 기준 전압(210)에 접속된다. 또한, 제2 그라운드선(134)은, 제2 인덕터(232)를 통해서 제2 전원부(222)에 접속된다.
이상과 같이, 본 변형례에서, 제1 그라운드선(132) 및 제2 그라운드선(134)은, 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압이 각각 공급되면서, 고주파수적으로는 GND 전압에 접속된다. 또한, 신호선(130)은, 일단이 종단되고 타단으로부터 고주파 신호가 공급된다. 즉, 신호선(130), 제1 그라운드선(132), 및 제2 그라운드선(134)은, 주파수 신호원(260)이 공급하는 구동 주파수에서 공면 전송로로서 기능 한다.
또한, 본 변형례에서도, 광 디바이스부(100)는, 절연막(30) 위에 형성한 전극과 유전체막(20) 위에 형성된 전극의 사이에 전계를 발생시켜, 보다 직접적으로 발생한 전계를 광 도파로에 인가한다. 이에 의해, 광 디바이스부(100)는, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 인가되는 전계 강도의 저감을 막으면서, 절연막(30)의 두께를 1μm 정도 이상으로 형성할 수 있다. 따라서, 광 디바이스부(100)는, 종래 구조에 비해, 낮은 반파장 전압 Vπ로, 혹은, 높은 주파수로 입력광을 변조하는 광 변조기를 실현할 수 있다.
이상의 실시 형태에서, 구동 회로부(200)는, 주파수 신호원(260)을 구비하여, 신호선(130)에 미리 정해진 주파수의 주파수 신호를 공급하는 예를 설명했다. 이에 대신하여, 구동 회로부(200)는, 펄스 신호원 또는 스위치 회로 등을 구비하여, 신호선(130)에 펄스 신호 또는 스위칭 제어 신호를 공급하여도 된다. 이에 의해, 광 디바이스부(100)는, 펄스 신호 또는 스위칭 제어 신호에 따라, 입력된 광을 출력하는지 여부를 스위칭하는 광 스위치로서 동작할 수 있다.
도 8은, 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100)의 제2 변형례를 구동 회로부(200)와 함께 도시한다. 본 도면에서, 도 1 및 도 2에 나타난 본 실시 형태에 관한 광 디바이스부(100) 및 구동 회로부(200)의 동작과 실질적으로 동일한 것에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다. 제2 변형례에서, 광 디바이스부(100)는, 제1 차동 신호선(136)과, 제2 차동 신호선(138)과, 접지 전극(154)과, 역상 주파수 신호원(262)을 더 구비한다.
제1 차동 신호선(136)은, 절연막(30) 위의 제1 영역에서, 신호선(130)과 제1 그라운드선(132)의 사이에 형성된다. 제2 차동 신호선(138)은, 절연막(30) 위의 제2 영역에서, 신호선(130)과 제2 그라운드선(134)의 사이에 형성된다.
접지 전극(154)은, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)의 사이에서, 유전체막(20)과 접하거나 또는 유전체막(20)과 절연막(30)의 사이에 설치되어, 미리 정해진 기준 전압(210)에 접속된다. 접지 전극(154)은, 신호선(130)보다도 제1 광 도파로(110)에 근접하여 설치되어도 된다. 또한, 접지 전극(154)은, 신호선(130)보다도 제2 광 도파로(120)에 근접하여 설치되어도 된다. 제1 차동 신호선(136), 제2 차동 신호선(138) 및 접지 전극(154)은, 금을 포함하여도 된다.
역상 주파수 신호원(262)은, 주파수 신호원(260)이 출력하는 주파수와 동일한 한편, 위상이 180도 다른 주파수 신호를 출력한다. 주파수 신호원(260) 및 역상 주파수 신호원(262)은, 차동 신호원으로서 기능한다.
제2 변형례에서, 제1 보조 전극(150)은 제1 전원부(220)에 접속된다. 제2 보조 전극(152)은, 제2 전원부(222)에 접속된다. 또한, 제1 그라운드선(132) 및 제2 그라운드선(134)은, 기준 전압(210)에 접속된다. 여기서, 신호선(130)은, 접지 전극(154)과 접속되는 한편, 기준 전압(210)에 접속된다. 즉, 제2 변형례에서, 신호선(130)은, 제1 그라운드선(132) 및 제2 그라운드선(134)과 같이, 그라운드선으로서 기능하는 외부 접지 전극이다.
제1 차동 신호선(136)은, 제1 인덕터(230)를 통해서 제1 전원부(220)에 접속된다.
또한, 제1 차동 신호선(136)은, 제1 커패시터(240)를 통해서 신호선의 일단이 주파수 신호원(260)과 접속되고, 타단이 제2 커패시터(242)를 통해서 종단 저항(250)에 접속된다. 이에 의해, 제1 차동 신호선(136)은, 제1 전원부(220)로부터 제1 바이어스 전압이 인가되면서, 주파수 신호원(260)으로부터의 주파수 신호를 일단으로부터 타단으로 전송하는 전송 선로로서 기능한다.
제2 차동 신호선(138)은, 제2 인덕터(232)를 통해서 제2 전원부(222)에 접속된다.
또한, 제2 차동 신호선(138)은, 제3 커패시터(244)를 통해서 신호선의 일단이 역상 주파수 신호원(262)과 접속되고, 타단이 제4 커패시터(246)를 통해서 종단 저항(250)에 접속된다. 이에 의해, 제2 차동 신호선(138)은, 제2 전원부(222)로부터 제2 바이어스 전압이 인가되면서, 역상 주파수 신호원(262)으로부터의 주파수 신호를 일단으로부터 타단으로 전송하는 전송 선로로서 기능한다.
이상과 같이, 제2 변형례에 관한 광 디바이스부(100)는, 구동 회로부(200)로부터 공급되는 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압이 인가된 차동 신호를, 신호선(130), 제1 그라운드선(132), 제2 그라운드선(134), 제1 차동 신호선(136), 및 제2 차동 신호선(138)으로 구성하는 공면 차동 전송 선로에 전송시킨다. 이에 의해, 광 디바이스부(100)는, 제1 차동 신호선(136)과 접지 전극(154)의 전극간 전압 V1에 따른 전계를 제1 광 도파로(110)에 인가한다. 마찬가지로, 광 디바이스부(100)는, 제2 차동 신호선(138)과 접지 전극(154)의 전극간 전압 V2에 따른 전계를 제2 광 도파로(120)에 인가한다.
이와 같이, 광 디바이스부(100)는, 절연막(30) 위에 형성한 전극과 유전체막(20) 위에 형성된 전극의 사이에 전계를 발생시켜, 차동 신호에 따른 전계를 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 인가할 수 있다. 이에 의해, 광 디바이스부(100)는, 제1 광 도파로(110) 및 제2 광 도파로(120)에 인가하는 전계 강도의 저감을 막으면서, 절연막(30)의 두께를 1μm정도 이상으로 형성할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시의 형태를 이용해 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시의 형태에 기재의 범위에는 한정되지 않는다. 상기 실시의 형태에, 다양한 변경 또는 개량을 더하는 것이 가능하다라고 하는 것이 당업자에게 분명하다. 그와 같은 변경 또는 개량을 더한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있다는 것이, 특허 청구의 범위의 기재로부터 분명하다.
특허 청구의 범위, 명세서, 및 도면 중에서 나타낸 장치, 시스템, 프로그램, 및 방법에서의 동작, 순서, 스텝, 및 단계 등의 각 처리의 실행 순서는, 특별히 「보다 전에」, 「앞서며」등으로 명시하고 있지 않고, 또한, 전의 처리의 출력을 후의 처리에 이용하지 않는 한, 임의의 순서로 실현할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 특허 청구의 범위, 명세서, 및 도면 중의 동작 플로우에 관해서, 편의상 「우선,」, 「다음으로,」등을 이용하여 설명했다고 해도, 이 순서로 실시하는 것이 필수인 것을 의미하는 것은 아니다.
10 기판
20 유전체막
30 절연막
100 광 디바이스부
110 제1 광 도파로
120 제2 광 도파로
130 신호선
132 제1 그라운드선
134 제2 그라운드선
136 제1 차동 신호선
138 제2 차동 신호선
140 제1 광 커플러
142 제2 광 커플러
150 제1 보조 전극
152 제2 보조 전극
154 접지 전극
160 제1 외부 전극
162 제2 외부 전극
200 구동 회로부
210 기준 전압
220 제1 전원부
222 제2 전원부
230 제1 인덕터
232 제2 인덕터
240 제1 커패시터
242 제2 커패시터
244 제3 커패시터
246 제4 커패시터
250 종단 저항
260 주파수 신호원
262 역상 주파수 신호원

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성되어 나란히 가는 제1 광 도파로 및 제2 광 도파로를 가지는 유전체막;
    상기 유전체막 위에 형성된 절연막;
    상기 절연막 위에 형성되고, 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로의 사이에 배치된 신호선과, 상기 제1 광 도파로에 대한 상기 제2 광 도파로와는 반대측의 제1 영역에 배치된 제1 그라운드선과, 상기 제2 광 도파로에 대한 상기 제1 광 도파로와는 반대측의 제2 영역에 배치된 제2 그라운드선을 가지는 공면 선로; 및
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에서 상기 유전체막과 접하는 한편 상기 절연막의 내부에 설치되어 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로에 대한 바이어스 전압을 인가하는 보조 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로는, 상기 절연막에 접하게 설치되는,
    광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 전극은, 상기 제1 그라운드선 및 상기 제2 그라운드선 보다도 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로에 근접하여 설치된,
    광 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체막은,
    입사광을 분기하여 상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로로 유도하는 제1 광 커플러; 및
    상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로로부터의 광을 합파하는 제2 광 커플러
    를 더 포함하고,
    상기 제1 광 도파로, 상기 제2 광 도파로, 상기 제1 광 커플러, 및 상기 제2 광 커플러는, 마흐젠더형 광 도파로를 형성하는,
    광 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역에 설치된 상기 보조 전극은, 정극의 바이어스가 인가되는 전극이고,
    상기 제2 영역에 설치된 상기 보조 전극은, 부극의 바이어스가 인가되는 전극인,
    광 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은, 단결정 재료로 형성되는,
    광 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기판은, 사파이어 기판 또는 MgO 기판인,
    광 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체막은, 강 유전체 박막인,
    광 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 강 유전체 박막은, 페로브스카이트 결정 구조인 PZT 박막, PLZT 박막, 또는 BaTiO3 박막인,
    광 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은, SiO2 또는 SiNx를 포함하는,
    광 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역에 설치된 상기 보조 전극은, 상기 제1 그라운드선과 접속되고,
    상기 제2 영역에 설치된 상기 보조 전극은, 상기 제2 그라운드선과 접속되고,
    상기 제1 그라운드선 및 상기 제2 그라운드선은, 커패시터를 통해서 미리 정해진 기준 전압에 접속되는,
    광 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 도파로 및 상기 제2 광 도파로의 사이에서, 상기 유전체막과 접하거나 또는 상기 유전체막과 상기 절연막의 사이에 설치되어, 미리 정해진 기준 전압에 접속되는 접지 전극을 더 포함하는,
    광 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공면 선로의 상기 신호선은, 상기 접지 전극과 접속되고,
    상기 공면 선로는,
    상기 절연막 위의 제1 영역에서, 상기 신호선과 상기 제1 그라운드선의 사이에 형성되는 제1 차동 신호선; 및
    상기 절연막 위의 제2 영역에서, 상기 신호선과 상기 제2 그라운드선의 사이에 형성되는 제2 차동 신호선
    을 더 포함하는,
    광 디바이스.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 광 디바이스; 및
    상기 신호선에 미리 정해진 주파수의 주파수 신호를 공급하는 주파수 신호원
    을 포함하는,
    광 변조 장치.
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